一种多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料及其制备方法与流程

本发明属于能源材料制造技术领域，具体涉及了一种多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料及其制备方法。

背景技术：

随着工业废水的排放不可避免地进入水环境，引起水体污染，导致污染水质长期恶化，严重危害人类的健康。因此，研究降解水体污染物是世界各国所面临的重大问题。因太阳光是取之不尽的，因此开发利用太阳能是人们越来越重视的问题，并且探寻新型的光催化剂是研究者广泛关注的问题。采用半导体光催化氧化技术降解水中污染物是近年来环境治理工作中的一个研究热点，已有大量研究证明众多难降解有机物在光催化氧化的作用下可有效得以去除或降解。

钛酸镍材料作为一种ⅡB-ⅥA族半导体化合物，室温下的禁带宽度为2.8eV，具有良好的导电性及较宽的吸收波范围，是一种很有潜力的光催化材料，有望在解决有机染料及对环境的污染问题上发挥重要作用。根据文献报道，已通过水热法、溶胶凝胶法、传通量法、Pechini法、共沉淀法等制备出单相的纳米管、纳米棒的钛酸镍。但是所制备的单相钛酸镍光生载流子复合机率较高，很难充分利用太阳光。

氧化镍是一种禁带宽度约3.6eV的P-型反铁磁半导体功能材料，由于其广泛应用于气体传感器、催化剂、燃料电池电极、光学活性纤维及磁性材料等领域，近来倍受科研工作者的青睐。Liu等(Liu L,Li Y,Yuan S M,J.Phys.Chem.C,2010,114,251-255)利用六次甲基四胺作为添加剂合成具有分等级结构的氧化镍纳米球。韦斐等(Wei F，Wu Y F，Luo L H，[J].Chinese Ceramic Society，2009，37(12):1975-1981(in Chinese))采用均匀沉淀法，在甲醇-水介质中以尿素和硝酸镍为原料制备出花状结构的NiO纳米片自组装体，然而，他们在实验中所涉及的操作过程较为复杂(比如要消耗时间去除模板)且易增加实验成本，导致耗材耗能。因此，采用一种简单有效的方法来实现对NiO无机材料的形貌、尺寸结构的构筑和调控设计，仍然是研究的关键。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的不足，目的在于提供一种多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛的纳米颗粒光催化材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将镍源、乙醇和酸混合均匀，置于恒温磁力搅拌器上搅拌30～60min；冷却至室温，加入钛源，使镍源和钛源充分反应，反应结束后，再次冷却至室温，然后加入去离子水，搅拌均匀；将所得溶液低温干燥后，得到钛酸镍的前驱体；

(2)将步骤(1)所得钛酸镍的前驱体分段煅烧后，得到多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料。

上述方案中，所述镍源和钛源的摩尔比为1：1～2。

上述方案中，所述乙醇、酸和去离子水的体积比为5:1:1～5:2:2。

上述方案中，所述镍源为硝酸镍或乙酸镍。

上述方案中，所述酸为硝酸或乙酸。

上述方案中，所述钛源为钛酸异丙酯或钛酸正丁酯。

上述方案中，步骤(1)中所述低温干燥的干燥温度为40～60℃，干燥时间为6～20h。

上述方案中，步骤(2)中所述分段煅烧的工艺为：200～300℃，2～3h；400～500℃，2～3h，600～700℃，4～6h，升温速率为2～5℃/min。

上述制备方法制备得到的多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料。

本发明的有益效果：(1)本发明采用溶液-煅烧法制备得到多相钛酸镍基纳米颗粒，相比较现有技术中的高温煅烧合成工艺，本发明所述制备方法获得的多相钛酸镍基纳米颗粒生长较稳定，尺寸较均匀；同时，还具有比表面积大，表面活性位点多的优点，可有效增大光生载流子的分离，增大电子传输的速率，提高太阳光的利用率，光催化性能较高；(2)本发明采用一步法直接合成了多相钛酸镍基纳米颗粒半导体光催化材料，所述的制备方法简单易操作。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3的多相钛酸镍基纳米颗粒的X射线衍射图。

图2为本发明实施例1的多相钛酸镍-氧化镍纳米颗粒扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3为本发明实施例2的多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒扫描电子显微镜图像。

图4为本发明实施例3的多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒扫描电子显微镜图像。

图5为本发明实施例制备的多相钛酸镍基纳米颗粒的光催化降解硝基苯的降解率图。

图6为本发明实施例制备的多相钛酸镍基纳米颗粒的光催化降解硝基苯的降解速率图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料，通过如下方法制备得到：

(1)将0.016moL的硝酸镍溶于10mL乙醇中，置于25℃恒温磁力搅拌器上，加入2mL的浓硝酸并不断搅拌，待硝酸镍完全溶解，继续搅拌30～60min；

(2)将步骤(1)所得溶液冷却至室温，加入0.0128moL的钛酸异丙酯(钛源与镍源的摩尔比为1.25：1)；

(3)待步骤(2)所得溶液冷却至室温，加入2～4mL去离子水，搅拌均匀；

(4)将步骤(3)所得溶液置于烘箱中干燥，温度控制在60℃，干燥时间20h，得到钛酸镍的前驱体；

(5)将步骤(4)所得钛酸镍的前驱体置于马弗炉中煅烧：300℃煅烧2h、400℃煅烧2h，650℃煅烧4h，升温速率为2℃/min，煅烧结束后，即得到多相钛酸镍基纳米颗粒。

本实施例制备得到的多相钛酸镍基纳米颗粒X射线衍射图(XRD)如图1所示，24.16°、33.13°、35.69°、40.89°、49.49°、54.03°、57.40°、62.50°、64.12°分别对应斜菱方晶系的钛酸镍(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(018)、(214)、

(300)晶面。37.23°、43.29°分别对应氧化镍的(001)、(200)晶面，说明合成了多相的钛酸镍基纳米颗粒为多相钛酸镍-氧化镍纳米颗粒，主相为钛酸镍。

本实施例制备得到的多相钛酸镍-氧化镍纳米颗粒的扫描电子显微镜图见图2，由扫描图看出多相钛酸镍-氧化镍纳米颗粒尺寸相对比较稳定，纳米颗粒的大小为80nm左右。

实施例2

一种多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料，通过如下方法制备得到：

(1)将0.016moL的硝酸镍溶于10mL乙醇中，置于25℃恒温磁力搅拌器上，加入2mL的浓硝酸并不断搅拌，待硝酸镍完全溶解，继续搅拌30～60min；

(2)将步骤(1)所得溶液冷却至室温，加入0.0154moL的钛酸异丙酯(钛源与镍源的摩尔比为1.04：1)；

(3)待步骤(2)所得溶液冷却至室温，加入2～4mL去离子水，搅拌均匀；

(4)将步骤(3)所得溶液置于烘箱中干燥，温度控制在60℃，干燥时间18h，得到钛酸镍的前驱体；

(5)将步骤(4)所得钛酸镍的前驱体置于马弗炉中煅烧：300℃煅烧2h、400℃煅烧2h，650℃煅烧4h，升温速率为2℃/min，煅烧结束后，即得到多相钛酸镍基纳米颗粒。

本实施例制备得到的多相钛酸镍基纳米颗粒X射线衍射图(XRD)如图1所示，24.16°、33.13°、35.69°、40.89°、49.49°、54.03°、57.40°、62.50°、64.12°分别对应斜菱方晶系的钛酸镍(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(018)、(214)、(300)晶面；37.23°、43.29°分别对应氧化镍的(001)、(200)晶面；25.34°、48.10°分别对应锐钛矿的(101)、(200)晶面，说明合成了多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒，主相为钛酸镍。

本实施例制备得到的多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒的扫描电子显微镜图见图3，由扫描图看出多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒尺寸相对比较稳定，纳米颗粒的大小为80nm左右。

实施例3

一种多相钛酸镍基纳米颗粒光催化材料，通过如下方法制备得到：

(1)将0.016moL的硝酸镍溶于10mL乙醇中，置于25℃恒温磁力搅拌器上，加入2mL的浓硝酸并不断搅拌，待硝酸镍完全溶解，继续搅拌30～60min；

(2)将步骤(1)所得溶液冷却至室温，加入0.016moL的钛酸异丙酯(钛源与镍源的摩尔比为1：1)；

(3)待步骤(2)所得溶液冷却至室温，加入2～4mL去离子水，搅拌均匀；

(4)将步骤(3)所得溶液置于烘箱中干燥，温度控制在40℃，干燥时间20h，得到钛酸镍的前驱体；

(5)将步骤(4)所得钛酸镍的前驱体置于马弗炉中煅烧：300℃煅烧2h、400℃煅烧2h，650℃煅烧4h，升温速率为2℃/min，煅烧结束后，即得到钛酸镍基纳米颗粒。

本实施例制备得到的多相钛酸镍基纳米颗粒X射线衍射图(XRD)如图1所示，24.16°、33.13°、35.69°、40.89°、49.49°、54.03°、57.40°、62.50°、64.12°分别对应斜菱方晶系的钛酸镍(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(018)、(214)、(300)晶面；37.23°、43.29°分别对应氧化镍的(001)、(200)晶面；25.34°、48.10°分别对应锐钛矿的(101)、(200)晶面，说明合成了多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒，主相为钛酸镍。

本实施例制备得到的多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒的扫描电子显微镜图见图4，由扫描图看出多相钛酸镍-氧化镍-二氧化钛纳米颗粒尺寸相对比较稳定，纳米颗粒的大小为80nm左右。

取实施例1～3所制备的多相钛酸镍基纳米颗粒各20mg分别置于80mL浓度为50ppm的硝基苯水溶液中，暗室搅拌1h达到吸附-脱附平衡，在可见光照射下(光强度为：可见光部分158mWcm^-2)，开始进行降解反应，每隔60min取一次样，离心、测量各样本中硝基苯溶液的浓度C，以C/C₀为纵坐标，反应时间为横坐标，绘制降解率图(如图5所示)，将反应降解速率绘制成降解速率图(如图6所示)，从图5和图6可以看出，本发明制备所得多相钛酸镍基纳米颗粒的光催化性能较高，对硝基苯的降解效果较好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。